СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЛАВИННЫХ ДИОДОВ Российский патент 1997 года по МПК H01L21/263 

Изобретение относится к технологии полупроводниковых приборов, а более конкретно к методам радиационно-термической обработки диодов, работающих на участке пробоя вольтамперной характеристики, и может быть использовано в производстве кремниевых стабилитронов, лавинных вентилей, ограничителей напряжения и т.п.

Известно [1] что для приборных структур, принцип действия которых основан на явлении лавинного пробоя, характерным является наличие в рабочем режиме высокого уровня флюктуаций электрического тока или шумов, что связано с вероятностным характером развития процессов ударной ионизации и генерации "затравочных" носителей заряда. Этот эффект для большинства приборов является крайне нежелательным, поскольку ограничивает их применение в прецизионной малошумящей электронной аппаратуре.

В процессе производства лавинных диодов их основной параметр напряжение пробоя (U_в) в силу целого ряда причин, как правило, несколько отличается от расчетной величины [2] Основными из них являются различный уровень дефектности исходного материала и возможные нарушения режима техпроцесса производства, что приводит к возникновению в кристалле полупроводника целой гаммы структурных дефектов. Это ведет к большому разбросу параметром, а зачастую и к низкому проценту выхода годных приборов. Для повышения качества и увеличения процента выхода лавинных диодов требуются уменьшение шумов в области пробоя диодов и уменьшение разброса пробивного напряжения.

Известны способы, основанные на конструкторско-технологических и схемных решениях [3,4] улучшающие параметры лавинных диодов. Их недостатками являются высокая трудоемкость и большой разброс величины U_в.

Известны [5-7] способы радиационно-термической обработки полупроводниковых приборов, улучшающие их характеристики.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ изготовления выпрямителей [8] согласно которому их радиационную обработку ведут ускоренными электронами при температуре 300^oC. Затем выпрямитель отжигают при температуре 280 350^oC в течение 2-10 ч. Этот способ выбран за прототип и за базовый объект.

Однако требуемое снижение уровня шумов и уменьшение разброса напряжения пробоя лавинных диодов этим приемом не достигаются, что ограничивает возможности способа.

Общим существенным признаком заявляемого способа и прототипа является использование проникающей радиации и термообработки в технологических целях.

Задачей, решаемой изобретением является снижение уровня шумов в области р-п-перехода и уменьшение технологического разброса напряжения пробоя.

В заявляемом способе обработки лавинных диодов, включающем облучение диодов пучком электронов с энергией 2-10 МэВ проведение одновременно с облучением пучком электронов отжига, отличающийся тем, что после облучения пучком электронов проводят повторное облучение пучком электронов с интенсивностью 2•10¹¹ 2•10¹² см^-2с^-1, а отжиг проводят одновременно с повторным облучением при температуре 200-300^oC в течение 600-900 с.

Сущность изобретения состоит в том, что готовые приборы подвергают облучению пучком электронов, а затем проводят повторное облучение с одновременной термообработкой приборов при определенной температуре. Такая обработка приводит, во-первых, к введению в активные физические области прибора с высокой степенью однородности, генерационно-рекомбинационных центров, являющихся источниками "затравочных" носителей заряда, запускающих лавину [9] Это обеспечивает стабильность процесса ударной ионизаци и, следовательно, снижение интегрального уровня шумов в р-п-переходе диода. Во-вторых, стимулирует аннигиляцию структурных несовершенств (дефектов) технологического происхождения, связанных с термодинамически неравновесным состоянием кристалла полупроводника. Подвергая кристалл облучению с одновременным прогревом, удается значительно облегчить его переход в более упорядоченное состояние [10] Это приводит к восстановлению величины U_в до номинальных значений и, таким образом, к снижению разброса U_в.

Режимы радиационно-термической обработки в предложенном способе подобраны таким образом, чтобы достичь оптимального сочетания низкого уровня шумов и минимального разброса напряжения пробоя.

При обработке по способу прототипа эффекты упорядочения структуры и перестройки примесно-дефектных комплексов в объемном кристалле лавинных диодов практически не имеют места, что не приводит к достижению цели изобретения.

Основным отличительным признаком предлагаемого способа является то, что отжиг полупроводниковых приборов проводят в процессе повторного облучения диода.

Интервал используемых в процессе отжига интенсивностей потока быстрых электронов (E 2 10МэВ) 2•10¹¹ 2•10¹² см^-2с^-1 выбран экспериментально. В этом интервале радиационно-стимулированные процессы в приборных кристаллах с участием подвижных радиационных и технологических дефектор способствуют наиболее полному восстановлению величины U_в. При интенсивности большей чем 2•10¹² см^-2с^-1 преобладают процессы, приводящие к росту обратных токов диодов, что снижает их качество. При интенсивности меньшей чем 2•10¹¹ см^-2с^-1 процессы, приводящие к росту U_в, еще недостаточно эффективны.

Выбор температурных и временных интервалов отжига обусловлен следующими причинами. При термообработке свыше 300^oC и времени отжига свыше 900 с усиленно образуются термодоноры, вследствие чего положительный эффект, связанный с увеличением U_в и снижением уровня шумов, не достигается. При температуре ниже 200^oC и времени отжига меньше 600 c4 термообработка малоэффективна, как с точки зрения перестройки радиационных дефектов с низкой термической стабильностью, введенных предварительным облучением, так и стимулирования процессов, приводящих к восстановлению U_в.

Примеры. В табл. 1-3 приведены данные об изменении разброса величины пробивного напряжения и относительного изменения интегрального шумового тока для стабилитронов типа КС 680 А в зависимости от условий отжига. Предварительная обработка приборов проводилась путем облучения электронами с энергией 4 МэВ флюенсом 3•10¹⁶ см^-2. Обмерялась партия приборов в количестве 300 шт. Условные обозначения: U_{макс.ср} усредненное по данной партии значение пробивных напряжений, превышающих номинальное значение напряжения пробоя для стабилитронов, данного типа U_ном 180 В, U_мин.ср усредненное значение пробивных напряжений стабилитронов меньших номинального значения U_ном 180 В; и интегральный шумовой ток в стабилитронах соответственно до и после радиационно-термической обработки.

Как видно из табл. 1-3, выход параметров процесса отжига за пределы указанных в описании интервалов ограничивает возможность достижения оптимальной совокупности параметров обрабатываемых приборов.

Пример конкретного выполнения. Партию диодов (Д 817 Г) с номинальным напряжением пробоя 100 В в количестве 120 шт подвергали радиационно-термической обработке согласно предлагаемому способу. Предварительное облучение проводилось электронами с энергией 4 МэВ флюенсом 5•10¹⁶ см^-2. В качестве облучательной установки использовался ускоритель электронов "Электроника-4". Необходимая температура отжига задавалась в специальном контейнере-термостате, помещенном перед выходным окном ускорителя. Были выбраны следующие режимы отжига: температура 250^oC, время 800 с, интенсивность электронного пучка в зоне отжига 6•10¹¹ см^-2с^-1. Параметры диодов контролировались до и после отжига. В результате оказалось, что после отжига разброс величины напряжения пробоя у приборов данной партии и усредненная величина интегрального шумового тока снизились по сравнению с исходными величинами (до отжига) соответственно в 1,8 и 9,0 раз. Другие параметры терморадиационных обработанных приборов соответствуют требованиям ТУ.

Использование: в электронной технике, а более конкретно к методам радиационно-технической обработки диодов, работающих на участке пробоя вольтамперной характеристики и может быть использовано в производстве кремниевых стабилитронов, лавинных вентилей, ограничителей напряжения и т.п. Сущность: обработка включает предварительное облучение приборов электронами с энергией 2-10 МэВ, а затем проводят отжиг при 200-300^oC в процессе повторного облучения диодов электронами с интенсивностью потока 2•10¹¹ - 2•10¹² см^-2 • с ^-1 в течение 600-900 с. 3 табл.

Способ обработки лавинных диодов, включающий облучение диодов пучком электронов с энергией 2 10 МэВ и проведение одновременно с облучением пучком электронов отжига, отличающийся тем, что после облучения пучком электронов проводят повторное облучение пучком электронов с интенсивностью (2 • 10^1 1 2 • 10^1 2)см^- 2 • с^- 1, а отжиг проводят одновременно с повторным облучением при 200 300^oС в течение 600 900 с.